PCB可靠性在汽車中的應(yīng)用

1.前言、背景

　　汽車電子其實(shí)并非與其它復(fù)雜電子產(chǎn)品完全不同：多個中央處理器、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時數(shù)據(jù)收集，以及極為復(fù)雜的PCB。汽車行業(yè)的設(shè)計(jì)壓力與其它類型的電子產(chǎn)品相似：設(shè)計(jì)時間短，市場競爭激烈。那么汽車電子與例如一些高端娛樂產(chǎn)品電子之間有什么區(qū)別？天壤之別！如果PCB在娛樂產(chǎn)品中發(fā)生故障，人們的性命不受威脅；但要是在汽車中發(fā)生故障，人們的性命就岌岌可危了。因此，汽車電子部件的可靠性設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中需要考慮的一個主要方面。

　　2.全文要點(diǎn)與大綱如下：

　　a.時間和費(fèi)用壓力

　　與承受著設(shè)計(jì)時間和開發(fā)費(fèi)用壓力的所有產(chǎn)品一樣，汽車部件也不例外。一項(xiàng)開發(fā)實(shí)踐能給電子產(chǎn)品公司滿足這些基本商業(yè)目標(biāo)提供很大幫助，它是使用虛擬樣機(jī)來對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并且無需費(fèi)用和時間來建立多種物理樣機(jī)，測試這些模型以及根據(jù)測試結(jié)果做出遞增修改。另外，影響產(chǎn)品可靠性的許多因素需要經(jīng)過數(shù)周、數(shù)月或者數(shù)年的物理破壞才能發(fā)現(xiàn)。因此這些情況下的物理樣機(jī)不是可行的方式。即使在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，你也不可能精準(zhǔn)無誤地復(fù)制數(shù)年的物理振蕩、熱環(huán)境、震動和溫度循環(huán)破壞。

　　b.仿真是關(guān)鍵

　　仿真，或者說虛擬樣機(jī)，已經(jīng)成為了設(shè)計(jì)過程中越來越重要的步驟。正如明導(dǎo)電子的Expedition Enterprise一樣，一個復(fù)雜的PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案含有多種形式的虛擬樣機(jī)功能。

　　圖1–虛擬原型應(yīng)當(dāng)在整個設(shè)計(jì)過程中都加以使用，從而減少循環(huán)時間和費(fèi)用，以及制造出一種可靠的產(chǎn)品。

　　c.熱控制

　　影響可靠性的最關(guān)鍵的一點(diǎn)（這里是就性能而言）是熱。集成電路（IC）過熱會隨時間出現(xiàn)問題，汽車環(huán)境也會變得非常無情。例如，過熱發(fā)動機(jī)艙里的部件，或開車經(jīng)過從密歇根州冬季直至亞利桑那州夏季這樣的氣候。從IC封裝開始，貫穿PCB，直至運(yùn)行環(huán)境下的完整產(chǎn)品，都應(yīng)能控制熱度。

　　圖2–確定熱捷徑能引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員做出改變，使散熱發(fā)生很大變化。

　　在PCB設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用復(fù)雜熱分析能帶來更好的熱管理和可靠性，且無需建立和測試多種物理樣機(jī)。這節(jié)約了大量時間和費(fèi)用。另外，有了與設(shè)計(jì)系統(tǒng)緊密整合的方便易用的軟件，設(shè)計(jì)人員能快速利用多種“假設(shè)”場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并獲得性能更好的解決方案。

　　d.高加速壽命測試

　　車輛出現(xiàn)可靠性問題的另一原因是PCB的持續(xù)振動及隨后出現(xiàn)的組件引線和附件故障。一般可通過構(gòu)建樣機(jī)并將它們放置在加速室，使PCB發(fā)生振動和溫度循環(huán)試驗(yàn)，以檢測是否出現(xiàn)故障。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，這種方法需要構(gòu)建多個樣機(jī)，并且通常需要幾周甚至幾個月的時間才能完成在加速室對汽車零部件預(yù)期壽命的模擬。這是一項(xiàng)非常耗時且費(fèi)用極高的過程，因此可靠性增強(qiáng)測試可能并不完整和全面。

　　目前有軟件可以在虛擬樣機(jī)模式下開展同樣的測試。設(shè)計(jì)人員可利用這種軟件對PCB進(jìn)行界定并輕松開展損耗仿真實(shí)驗(yàn)。該軟件可在幾小時內(nèi)完成復(fù)雜的分析，并指出可能出現(xiàn)的故障（圖3）。

　　圖3：明導(dǎo)的H.A.L.T.軟件可以在數(shù)小時內(nèi)完成振蕩、震動和溫度循環(huán)故障分析，而在測試室內(nèi)則需要幾周甚至幾個月的時間。

　　e.電源完整性分析保證高可靠性

　　在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電源完整性是一項(xiàng)越來越復(fù)雜的問題。

　　圖4：明導(dǎo)的HyperLynx電源完整性分析可確定高電平電流密度空間和可能出現(xiàn)的長期印刷電路板故障

　　空間狹窄可導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問題，而這一問題可能幾年后才會顯現(xiàn)。電流過高會使空間溫度上升，從而導(dǎo)致PCB像保險(xiǎn)絲一樣燒壞或爆板。而目前可在軟件中對這些配電網(wǎng)進(jìn)行分析，并可確定虛擬樣機(jī)和高電平電流密度空間。然后設(shè)計(jì)人員便能夠?qū)臻g進(jìn)行擴(kuò)大或在相鄰層創(chuàng)建平行電流路徑，從而在維持IC充足電流供應(yīng)的同時解決這一問題。

　　在測試室內(nèi)通過使用物理樣機(jī)對電流密度問題進(jìn)行測試并不實(shí)際，因?yàn)樗赡茉趲啄旰蟛拍芤l(fā)故障。而問題可能永遠(yuǎn)不會顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致隨后出現(xiàn)這方面的故障。

　　3.研究報(bào)告總結(jié)

　　可靠性在汽車電子中非常重要，而如今鑒于來自產(chǎn)品上市時間和成本縮減的壓力，采取在軟件虛擬樣機(jī)環(huán)境中相對于測試室內(nèi)的物理樣機(jī)進(jìn)行分析的方法顯得愈發(fā)必要。目前因軟件的存在，從而使電子和機(jī)械設(shè)計(jì)人員可進(jìn)行更多的模擬仿真方案。